JP7197945B1 - 金属被覆金属基複合材料及び金属被覆金属基複合材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]純金属あるいは合金をマトリックス材とし、該マトリック材と異なる材料を強化材として、前記マトリックス材と前記強化材を複合化して構成された金属基複合材であって、前記強化材が多孔質の成形体であり、且つ、該成形体の表面に規則的な凹凸が設けられてなるものであることで、該凹凸を含んでなる、複合化している前記マトリックス材の連続一体な金属被覆層を表面に有することを特徴とする金属被覆金属基複合材料。
[2]前記金属被覆層の厚みが、0.5mm~5mmである上記[1]に記載の金属被覆金属基複合材料。
[3]前記凹凸が、高低差が、0.1mm以上で、前記金属被覆層の厚さの50%以下の範囲内であり、且つ、その形状が周期的である上記[1]又は[2]に記載の金属被覆金属基複合材料。
[4]前記マトリックス材が、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、且つ、前記強化材が、セラミックス粒子又は金属粒子の少なくともいずれかである上記[1]~[3]のいずれかに記載の金属被覆金属基複合材料。
[5]純金属あるいは合金であるマトリックス材と、該マトリック材とは異なる材料からなる強化材とを複合化させて金属被覆金属基複合材を得るための製造方法であって、多孔質の成形体である前記強化材を金型内に設置し、溶融させた前記マトリックス材を前記多孔質の多孔内に鋳造で含浸・充填させて、前記強化材と前記マトリックス材を複合化させて金属基複合材を得る複合化工程において、前記多孔質の成形体として、表面に規則的な凹凸が設けられているものを用いることで、前記マトリックス材を含浸・充填させて得た金属基複合材の表面に、前記凹凸を含んでなる、連続一体な前記マトリックス材からなる金属被覆層を同時に形成することを特徴とする金属被覆金属基複合材料の製造方法。
[6]前記金属被覆層の厚みが、0.5mm~5mmである上記[5]に記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
[7]前記凹凸が、高低差が、0.1mm以上で、前記金属被覆層の厚さの50%以下の範囲内であり、且つ、その形状が周期的である上記[5]又は[6]に記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
[8]前記マトリックス材が、アルミニウム又はアルミニウム合金である上記[5]~[7]のいずれかに記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
[9]前記強化材が、セラミック粒子又は金属粒子である上記[5]~[8]のいずれかに記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
[10]前記鋳造が、高圧鋳造法、溶湯鍛造法、ダイカスト、砂型鋳造及び金型鋳造からなる群から選ばれる加圧鋳造法である上記[5]~[9]のいずれかに記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
下記の手順で、強化材となる成形体を製造し、その後、得られた強化材成形体にマトリックス材料であるAl合金溶湯を用いて高圧鋳造して、本実施例の金属被覆金属基複合材料を得た。まず、強化材として平均粒径44μmのSiC粒子2kgを用い、該粒子にバインダーとしてコロイダルシリカ溶液(平均粒径50nm、濃度25%)0.1kgを加えて、水3kgに分散させたスラリーを作製した。次に、得られたスラリーを多孔質型に充填し、吸引ろ過法で多孔質型の通気孔から水を排除させて、予備強化材成形体を作製した。この予備強化材成形体を乾燥後、800℃で焼成して強化材成形体を得た。そして、得られた強化材成形体の全表面に、幅2mm、深さ1mmの溝を繰り返し形成して、本実施例で用いる表面に凹凸のある強化材成形体を作製した。
本実施例では、まず、強化材として平均粒径44μmのホウ酸アルミニウム粒子1.5kgを用い、該粒子にバインダーとしてコロイダルシリカ溶液(平均粒径5nm、濃度20%)0.2kgを加えて、水2kgに分散させたスラリーを作製した。そして、3Dプリンターで積層造形した樹脂型に、上記のようにして得たスラリーを充填して、振動を20分かけて沈降法で予備強化材成形体を作製した。上記で用いた樹脂型には、型内面に深さと幅が0.5mm程度の格子状の規則的な凸が設けられている。沈降法で作製したままの状態の予備強化材成形体を凍結した後、加熱炉に入れて40℃から20時間かけて800℃まで昇温させ、水分を蒸発させるとともに焼成した。この結果、焼成した後の強化材成形体の全表面には、深さと幅が0.5mmの格子状の規則的な凸を型内面に有する樹脂型から転写形成された凹が、表面に規則的に設けられた状態となっていた。
本実施例では、まず、3Dプリンターで積層造形して、目的とする強化材成形体と同じ形状を有する樹脂模型を成形した。該樹脂模型は、表面に、高さ0.5mm、径が1mm程度の規則的なディンプル状凸を有するものである。次に、上記で成形した樹脂模型を、型取り用のシリコーンゴム溶液内に浸漬させた後、シリコーンゴムを硬化させて、表面に、深さ0.5mm、径が1mm程度の規則的なディンプル状凹が形成されているシリコーンゴム製の強化材成形型を製作した。
強化材として、実施例1と同様に、平均粒径44μmのSiC粒子2kgを用い、該粒子にバインダーとしてコロイダルシリカ溶液(平均粒径50nm、濃度25%)0.1kgを加えて、水3kgに分散させたスラリーを作製した。次に、多孔質型に、得られたスラリーを充填し、吸引ろ過法で多孔質型の通気孔から水を排除させて、予備強化材成形体を作製した。予備強化材成形体を乾燥後、800℃で焼成して得た強化材成形体を700℃に予熱して、強化材形成体と同形状の200℃に予熱した鋳造用金型に設置し、その後、直ちに800℃にて溶解したAl合金溶湯(AC4C)を金型内に注入して、後述するようにして金属基複合材を作製した。上記で用いた、800℃で焼成した強化材成形体の表面性状を確認したところ、表面の凹凸はいずれも0.1mm以下であり、しかも規則性をもった凹凸ではないことを確認した。
上記で得た実施例及び比較例の各金属基複合材について下記の評価をそれぞれ行った。
各金属基複合材を切断して、複合材の表面を形成している金属被覆層の厚みを測定して、表1に示した。また、上記切断した試料を用いて、金属被覆層と強化材成形体との界面を観察して、強化材成形体の表面に設けた凹凸の規則性が保たれているか否かについて評価した。規則性が保たれている場合を「○」と評価し、規則性のある凹凸が見られない場合を「×」と評価した。
図1に、実施例1の金属被覆金属基複合材の、強化材成形体と金属被覆層との境界面の顕微鏡写真の図を示した。図1にある通り、金属被覆層は、厚くて数ミリ程度のものであるが、凹凸を設けた強化材成形体の表面に緊密に形成されていた。金属被覆層が緊密に形成されたものであることについては、下記の曲げ評価試験で確認した。すなわち、金属被覆層が強化材成形体の表面に緊密に形成されている場合は、高い曲げ強度を示し、金属被覆層が破断することがなかった。
上記で得た各金属基複合材から、最表面の金属被覆層を含む、厚さ15mm、幅20mm、長さ50mmの測定用サンプルを切り出した。そして、この測定用サンプルを用い、JIS Z 2248:2006の3点曲げ試験方法に準拠して曲げ強度を測定した。得られた結果を表1にまとめて示した。
金属被覆層の厚みの測定用に用いた各金属基複合材の切断面を目視観察して、マトリックス材料であるアルミニウム合金の溶湯が、強化材形成体の内部まで良好に含浸・充填されているか否かを確認した。その際、特に、鋳造用金型に設置した強化材形成体の設置部における充填の状態を調べた。その結果を表1中に示した。
上記で得た各金属基複合材の表面状態について、JIS B 0601:2001に準拠して、表面粗さ計を用いてそれぞれ粗さ(Rz)を測定し、評価した。得られた結果を表1中に示した。表1に示したように、実施例の金属被覆金属基複合材は、いずれも表面粗さ(Rz)が3~6であったのに対して、比較例1の金属基複合材の表面粗さ(Rz)は10~12であり、実施例の場合と比べて明らかに粗いことを確認した。このことは、金属基複合材の表面に強化材の粒子が露出などしていない良好な状態のマトリックス材からなる金属被覆層が形成できたことを意味している。
2:マトリックス材
3:規則的な凹凸
4:金属被覆層
5:金属被覆金属基複合材料
10:金型
20:加圧ピン
Claims (10)
- アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、銅又は銅合金等の純金属あるいは合金をマトリックス材とし、該マトリック材と異なるセラミック粒子又は金属粒子からなる材料を強化材として、前記マトリックス材と前記強化材を複合化して構成された加圧鋳造物である金属基複合材料であって、
前記強化材が多孔質の成形体であり、且つ、該成形体の表面に規則的な凹凸が設けられてなるものであることで、該凹凸を含んでなる、複合化している前記マトリックス材の連続一体な金属被覆層を表面に有してなり、
該金属被覆層の厚みが、0.5mm~5mmであって、前記凹凸は、高低差が、0.1mm以上で、前記金属被覆層の厚さの50%以下の範囲内であり、且つ、その形状が周期的であることを特徴とする金属被覆金属基複合材料。 - 前記金属被覆層の厚みが、2mm~3mmである請求項1に記載の金属被覆金属基複合材料。
- 前記マトリックス材が、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、銅又は銅合金の少なくともいずれかである請求項1又は2に記載の金属被覆金属基複合材料。
- 前記セラミックス粒子が、炭化ケイ素粒子、ホウ酸アルミニウム粒子及びアルミナ粒子の少なくともいずれかであり、前記金属粒子が、Si粒子又はAl 3 Ni粒子の少なくともいずれかである請求項1~3のいずれか1項に記載の金属被覆金属基複合材料。
- アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、銅又は銅合金等の純金属あるいは合金であるマトリックス材と、該マトリック材とは異なる材料のセラミック粒子又は金属粒子からなる強化材とを複合化させて加圧鋳造物である金属被覆金属基複合材料を得るための製造方法であって、
多孔質の成形体である前記強化材を金型内に設置し、溶融させた前記マトリックス材を前記多孔質の多孔内に加圧鋳造法で含浸・充填させて、前記強化材と前記マトリックス材を複合化させて金属基複合材を得る複合化工程において、前記多孔質の成形体として、表面に規則的な凹凸が設けられているものを用いることで、前記マトリックス材を加圧鋳造法で含浸・充填させて得た金属基複合材の表面に、前記凹凸を含んでなる、連続一体な前記マトリックス材からなる、厚みが、0.5mm~5mmである金属被覆層を同時に形成させ、前記凹凸は、高低差が、0.1mm以上で、前記金属被覆層の厚さの50%以下の範囲内で、且つ、その形状が周期的であることを特徴とする金属被覆金属基複合材料の製造方法。 - 前記金属被覆層の厚みが、2mm~3mmである請求項5に記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
- 前記マトリックス材が、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、銅又は銅合金の少なくともいずれかである請求項5又は6に記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
- 前記セラミック粒子が、炭化ケイ素粒子、ホウ酸アルミニウム粒子及びアルミナ粒子の少なくともいずれかであり、金属粒子が、Si粒子又はAl 3 Ni粒子のいずれかである請求項5~7のいずれか1項に記載の金属被覆金属基複合材の製造方法。
- 前記加圧鋳造法が、高圧鋳造法、溶湯鍛造法及びダイカストからなる群から選ばれるいずれかである請求項5~8のいずれか1項に記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
- 前記加圧鋳造法が、高圧鋳造法である請求項5~8のいずれか1項に記載の金属被覆金属基複合材料の製造方法。
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